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“新基建”下數據中心選址與節能

2020年3月4日,中共中央政治局常務委員會召開會議時指出:加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施的建設進度。“新基建”的概念是與傳統基建相對應的,傳統基建是指鐵路、公路、機場和房地產等為代表的基建模式。“新基建”賦予數字化、網絡化和智能化的內涵,體現當今世界經濟和中國經濟發展趨勢與內在需求的建設模式。在“新基建”的背景下,數據中心的重要性日益凸顯。數據中心實現的功能是對信息進行處理、傳輸、運算和存儲,是一切信息化的基礎。沒有數據中心,其他一切信息化都不可實現,例如5G、物聯網和智慧城市等。數據中心從建設用途上可以分為兩類:提供互聯網服務的數據中心(Internet Data Center,IDC)和企業級數據中心(Enterprise Data Center,EDC)。2010—2019年,中國IDC市場增長19倍,增長率穩定在35%以上,2019年市場規模接近1 900億元,增速接近36%,全部數據中心市場中,IDC占比70%,EDC占比30%,市場規模達到2 700億元。2020年市場規模預計3 700億元。2018年全球IDC市場整體規模超過6 000億元人民幣,同比增長23.6%,2020年預計全球IDC市場規模可以達到8 000億元。數據中心業內最關心的兩個問題是可靠性和節能,這兩個問題與數據中心的選址密切相關,下面將分別進行闡述。

中國電子工程設計院有限公司副總工程師 鐘景華

數據中心選址

數據中心選址涉及到安全、節能、電力、通信、交通和環境等方方面面,建設數據中心首先遇到的問題就是選址問題。選址是否合理直接關系到數據中心建設的成敗。

《數據中心設計規范》 G B 50174—2017是2017年發布的,為目前最新的數據中心設計規范,也是指導數據中心設計、建設的最根本的一本規范。下面就該規范對于數據中心選址作出的規定進行解讀。

1)電力供給應充足可靠,通信應快速暢通,交通應便捷。數據中心的耗電量比較大,每平方米耗電量一般是寫字樓的50~60倍。這么大的用電量,如果沒有充足的電力供應,是不可能建數據中心的。所以,選址時首先要查看了解周邊能否有足夠的電力供應。數據中心與網絡的關系就像發電廠與電網的關系一樣。發電廠發出的電需要通過電網給用戶供電,而數據中心中的數據和信息也需要通過網絡傳輸給用戶。所以,數據中心必須有網絡支持,沒有網絡支持的數據中心就是信息孤島。數據中心在建設過程中有大量的設備需要運輸,在使用過程中一旦出現故障,則需要人員來援救、設備來支持,因此數據中心所在地必須交通便捷。

2)自然環境應清潔,環境溫度應有利于節約能源。數據中心里有大量的空調系統,需要有新風進入,如果數據中心所在地區霧霾很嚴重,會對電子設備產生腐蝕作用。當霧霾嚴重時,需要對空氣進行過濾,則將增加建設和運行成本,所以盡量選擇在環境清潔的地方建數據中心。國家倡導數據中心建在北方和西部主要是從節能的角度考慮的。我國北方和西部溫度都比較低,空調系統的使用量會大大減小,可有效降低數據中心的能耗。但是,數據中心選址最根本的是應用,如果建在很偏遠的地區,雖然環境溫度比較低,但附近用戶量較少也是不行的。所有的信息傳輸都是有時延的,距離近,時延就短;距離遠,時延就長。舉例來說,股票交易就與數據中心的位置有很大關系。大部分券商都把自己的數據中心放在深交所或上交所建的數據中心里,因為距離近,所以成交的可能性更大。越是經濟發達的地區,需要的數據和信息就越多,所以需要在經濟發達地區建設更多數據中心。

3)A級數據中心不宜建在公共停車庫的正上方。這條規定主要考慮的是數據中心安全方面的因素。美國的規范中規定數據中心下面是不允許有停車庫的,因為數據中心是企業、政府的最核心的部門,如果有汽車炸彈襲擊,或者由于駕駛技術導致汽車撞擊地下停車庫中的建筑物,則重要的信息就會丟失。在中國實施這樣的硬性規定有一定的困難,根據中國的國情,修建的數據中心下面不能有公共停車庫,對于企業自己的停車庫需要嚴格管理。

4)大中型數據中心不宜建在居民小區和商業區內,與住宅的距離不宜小于100 m。這條規定是受兩個典型案例的啟發。2016年,在上海和法國發生了兩起官司,都是數據中心附近的居民起訴噪聲擾民,兩起官司的結果都是居民獲勝,數據中心關門。數據中心的建設成本是非常高的,如果因為居民起訴而被關閉,損失也是非常高的。數據中心為了給空調系統降溫,在屋頂上都會有冷卻塔或是空調系統室外機組,這些設備會產生很大的噪聲。經測試,單臺冷卻塔的噪聲在70分貝左右,數據中心整體產生的噪聲在90分貝左右,會給附近的居民造成嚴重困擾。當距數據中心80 m左右時,噪聲值會降到與周圍環境同等水平,所以規范規定數據中心建設地點離居民區不得小于100 m。數據中心不能建在商業區是因為商業區的電價非常高,用電成本承擔不起,而且商業中心人員密度比較大,也不利于數據和信息的安全。

在我國將數據中心根據重要程度不同劃分為三個等級。

1)A級為容錯型,在系統需要運行期間,其場地設備不應因操作失誤、設備故障、外電源中斷、維護和檢修而導致電子信息系統運行中斷。A級是最高級別,主要是指涉及國計民生的機房設計。其電子信息系統運行中斷將造成重大的經濟損失或公共場所秩序嚴重混亂。

2)B級為冗余型,在系統需要運行期間,其場地設備在冗余能力范圍內,不應因設備故障而導致電子信息系統運行中斷。B級定義為電子信息系統運行中斷將造成一定的社會秩序混亂和一定的經濟損失的機房。

3)C級為基本型,在場地設備正常運行情況下,應保證電子信息系統運行不中斷。A級或B級范圍之外的電子信息系統機房都稱為C級。

表1中列出了規范對三種數據中心選址的一些具體要求。

表1 數據中心選址

2016年,工信部發布《關于進一步加強通信信息業節能減排工作指導意見》,要求“十三五”期間積極推動綠色數據中心的建設,實現新建大型數據中心 PUE 值低于1.4。

空調系統的能耗占數據中心整體能耗的很大一部分,是降低數據中心PUE值的關鍵環節,對于數據中心里的空調系統可以采取如下節能措施。

1)空調系統應根據當地氣候條件,充分利用自然冷源。

2)空氣質量優良地區可采用全新風空調系統。

表2列出了幾個數據中心的選址與PUE值的關系。

表2 幾個數據中心選址與PUE值

從表2中可以看出,位于挪威萊夫達爾的數據中心緯度非常高,PUE值很低,可以達到1.1;我國緯度比較高的地區建設的數據中心位于內蒙古的海拉爾,PUE值可以達到1.18;百度建在陽泉的數據中心。雖然緯度不是很高,但是在建設過程中運用了大量新技術,投入了很大成本,PUE值可以達到1.1。總的來說,數據中心所在地區緯度越高,PUE值越低。

典型案例介紹

1. 日本IDCF數據中心

IDCF數據中心位于日本福岡縣北九州市,建筑面積45 000 m2,雙路66 kV高壓進線,2×30 MV·A變壓器,雞籠式建筑,全新風空調系統,封閉熱通道。機柜功率6~10 kW。

新風從IDCF數據中心下面類似于百葉的進風口進入,通過機柜把機柜里的熱量帶走,溫度升高之后順著通道把熱風送到屋頂,在出風口將熱量散去,這就是雞籠式建筑的特點,非常節能。日本IDCF數據中心外觀圖如圖1所示。

圖1 日本IDCF數據中心

因為空氣質量問題,中國采用雞籠式數據中心不多。近幾年隨著我國空氣質量好轉,這種形式的數據中心在一些地方也逐漸得到應用。

日本的數據中心沒有國家標準,只有協會標準,表3為日本數據中心的協會標準。日本將數據中心劃分為4個等級,Tier1~Tier4,Tier4為最高等級,依次降低。IDCF 數據中心備用電源采用單臺功率3 500 kV·A 重油發電機,采用重油發電機的優點如下。

1)重油發電機的功率大,單臺功率可以 達到3 500 kV·A,柴油發電機很難達到這么大的功率。

2)重油發電機建造成本低,只有柴油發電機的50%。

3)重油熱值高,閃點高,更加安全可靠。

4)采用重油日本政府給予補貼,采用柴油則沒有補貼。在中國由于柴油比較普遍,重油應用的比較少,所以大部分數據中心備用電源都是采用柴油發電機。

表3 日本數據中心協會標準:JDCC FS-001

2. 挪威萊夫達爾礦洞數據中心

挪威萊夫達爾礦洞數據中心位于北緯 60°的大西洋沿岸,是利用廢棄的地下鋁礦礦洞建成的數據中心,礦洞面積 40萬m2。該數據中心位于地下160 m,非常安全。礦洞數據中心距離松恩峽灣幾百米,空調冷源來自海面下60 m的海水,雙路220 kV高壓進線,柴油發電機作為備用電源。

在電力供應方面,挪威萊夫達爾礦洞數據中心所在地區有大量的可再生能源,松恩峽灣有350 MW水電供應和22 MW風力發電。該地區電價非常便宜,為0.03~0.04歐元/kW·h,可節約大量運行成本。

挪威萊夫達爾是大西洋海底光纜登陸點,所以地理位置優越,到各大城市的傳輸時延為:奧斯陸7 ms,斯德哥爾摩13 ms,哥本哈根15 ms,倫敦17 ms,法蘭克福22 ms,阿姆斯特丹21 ms。運營商可以根據時延開發各種應用。數據中心所在礦洞共分為五層。一層放置網絡、風機和水泵等基礎設施;二~五層為主機房。每個洞都是標準的:洞長500 m,洞寬350 m,洞深160 m,單洞長30~100 m。每個隧道寬13 m,高16 m,采用集裝箱數據中心,集裝箱內的各種電氣設備、網絡設備和服務器等全部在洞外廠安裝,做好集成,每個集裝箱的用電量為10 MW ,在洞內把電力、冷凍水等接至每個集裝箱即可應用。萊夫達爾礦洞數據中心模型圖如圖2所示。

圖2 挪威萊夫達爾礦洞數據中心模型

數據中心空調冷凍水的冷源采用的是7 ℃的海水,因為礦洞低于海平面,所以可以先把海水通過虹吸技術吸進來,通過板換降低洞內冷凍水的溫度。由于應用了這項技術,萊夫達爾礦洞數據中心的PUE值非常低,為1.1,所以非常值得借鑒。

結束語

2009年11月11日,阿里巴巴創建“雙十一”,當天銷售額 0.5億元人民幣;2019年11月11日,淘寶天貓銷售額2 684億元人民幣,10年增長5 368倍,幕后英雄就是數據中心。

數據中心是一切信息化技術的基礎,各行各業依賴于信息技術的發展而發展,信息就像水和電一樣,成為不可缺少的元素,就像發電廠為電網提供源源不斷的電力支持一樣,數據中心為信息網絡提供源源不斷的信息支持。

數據中心選址涉及需求、安全和節能。在“新基建”背景下,各地應盡早規劃布局數據中心,讓數據中心成為數字經濟時代的支點。

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